本文關(guān)鍵詞：串聯(lián)式多相變儲熱實驗與數(shù)值模擬研究

  更多相關(guān)文章： 相變儲熱 赤藻糖醇 熱物性 有效導(dǎo)熱系數(shù)模型 自然對流 實驗研究 模擬研究

【摘要】：由于相變材料(PCM)在較小溫度范圍內(nèi)發(fā)生相變的過程中可以吸收或者釋放出大量的相變潛熱,從而縮小儲熱裝置的體積,使得相變儲能技術(shù)具有很高的實用價值。相變儲能可以被廣泛應(yīng)用在建筑供暖、余熱利用、壓縮空氣儲能及太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中。近年來,對相變材料熱物性的測量、相變傳熱過程以及相變儲能裝置的研究成為當(dāng)前的研究熱點。本文首先根據(jù)相變材料選擇原則在合適溫度范圍內(nèi),遴選出赤藻糖醇為儲熱材料。對赤藻糖醇的相變溫度、熔融焓、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度和分解溫度等熱物性參數(shù)進(jìn)行了全面的測量。研究發(fā)現(xiàn)：赤藻糖醇熔化溫度約為120.39℃,相變潛熱為319.5kJ/kg；赤藻糖醇有較強(qiáng)的過冷特性,本文測量中其過冷度在93.64℃-113.19℃之間；在180℃以下基本保持熱穩(wěn)定,在約250℃下完全分解；赤藻糖醇固態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度升高而線性降低,液態(tài)赤藻糖醇導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度升高而線性升高；赤藻糖醇粘度隨著溫度升高而降低。然后,本文建立了以空氣為傳熱流體(HTF),以赤藻糖醇為儲熱材料的相變儲熱實驗臺,進(jìn)行了不同工況下的儲熱/釋熱實驗,研究了赤藻糖醇在豎直套管式相變單元內(nèi)熔化/凝固的導(dǎo)熱和自然對流耦合傳熱機(jī)理,并對運行參數(shù)進(jìn)口溫度、壓力和質(zhì)量流量對系統(tǒng)傳熱性能的影響進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：(1)熔化過程中,液相赤藻糖醇首先占據(jù)儲熱單元上部,隨后從上而下逐步推進(jìn),傳熱方式在初始階段由導(dǎo)熱主導(dǎo),隨后主要由自然對流主導(dǎo)。(2)凝固過程中,赤藻糖醇存在明顯過冷現(xiàn)象,內(nèi)部的傳熱起始由自然對流主導(dǎo),隨后由導(dǎo)熱主導(dǎo)。(3)提高空氣進(jìn)口溫度和流量可以提高儲熱過程傳熱率,縮短儲熱時間。進(jìn)口壓力的變化對儲熱過程傳熱率及傳熱系數(shù)等影響不大。(4)提高空氣的質(zhì)量流量可以增強(qiáng)釋熱過程的傳熱,由于赤藻糖醇內(nèi)存在冷頭效應(yīng),質(zhì)量流量的變化對過冷度影響不大。最后,基于焓法模型來模擬相變過程,以有效導(dǎo)熱系數(shù)形式考慮熔化過程中液態(tài)PCM內(nèi)的自然對流,建立了套管式相變儲熱的數(shù)值模擬方法。由于前人的模型不能實現(xiàn)液態(tài)PCM從上往下推進(jìn)的過程,因此本文提出了有效導(dǎo)熱系數(shù)的新模型。經(jīng)過計算得到合適的系數(shù),并與本文實驗結(jié)果對比,得到與實驗比較吻合的模擬結(jié)果。在此基礎(chǔ)上開展了以赤藻糖醇、阿拉伯糖醇和木糖醇為儲熱材料的3種PCM串聯(lián)組合儲熱單元的數(shù)值模擬研究,對3PCM單元內(nèi)部子單元的傳熱過程進(jìn)行了分析,并采用能量和(?)分析的方法對進(jìn)口溫度和流量對系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：(1)串聯(lián)3PCM單元比采用赤藻糖醇為儲熱材料的1PCM單元在儲熱過程有更高的傳熱率；(2)對3PCM串聯(lián)單元中的PCM傳熱均可以分為3個階段：固態(tài)顯熱主導(dǎo)、潛熱主導(dǎo)和液態(tài)顯熱主導(dǎo)階段；(3)提高流量和儲熱進(jìn)口溫度可以加快儲熱和儲(?)速度；提高流量和降低進(jìn)口溫度會加速釋熱和釋(?)速度；(4)循環(huán)熱效率和循環(huán)炯效率隨著儲熱時間的減小和釋熱時間的增大而升高。
【關(guān)鍵詞】：相變儲熱 赤藻糖醇 熱物性 有效導(dǎo)熱系數(shù)模型 自然對流 實驗研究 模擬研究
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK11
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 第1章 緒論18-40
• 1.1 引言18-19
• 1.2 熱能儲存19-21
• 1.2.1 熱儲熱20
• 1.2.2 熱化學(xué)儲熱20
• 1.2.3 潛熱儲熱20-21
• 1.3 相變儲能系統(tǒng)21-26
• 1.3.1 PCM的研究22-25
• 1.3.2 相變換熱器的研究25-26
• 1.4 強(qiáng)化換熱措施研究26-38
• 1.4.1 增加換熱面積26-30
• 1.4.2 采用多PCM串聯(lián)形式30-34
• 1.4.3 添加高導(dǎo)熱系數(shù)材料34-36
• 1.4.4 采用封裝形式36-38
• 1.5 本文研究內(nèi)容和技術(shù)路線38-40
• 1.5.1 研究內(nèi)容38-39
• 1.5.2 技術(shù)路線39-40
• 第2章 實驗和數(shù)值模擬方法40-60
• 2.1 引言40
• 2.2 熱物性測試方法40-49
• 2.2.1 DSC測量原理41-43
• 2.2.2 熱重分析原理43-44
• 2.2.3 導(dǎo)熱系數(shù)測量原理44-47
• 2.2.4 粘度測量原理47-49
• 2.3 相變儲熱實驗方法49-55
• 2.3.1 系統(tǒng)主要部件49-51
• 2.3.2 測控系統(tǒng)51-53
• 2.3.3 實驗主要流程53
• 2.3.4 數(shù)據(jù)處理與誤差分析53-55
• 2.4 數(shù)值模擬方法55-59
• 2.4.1 物理模型56-57
• 2.4.2 控制方程57-59
• 2.5 本章小結(jié)59-60
• 第3章 材料熱物性測量和分析60-72
• 3.1 引言60-61
• 3.2 DSC測量結(jié)果61-63
• 3.3 熱重分析測量結(jié)果63
• 3.4 導(dǎo)熱系數(shù)測量結(jié)果63-68
• 3.4.1 固態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測量64-65
• 3.4.2 液態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測量65-68
• 3.5 粘度測量結(jié)果68-70
• 3.6 本章小結(jié)70-72
• 第4章 赤藻糖醇儲熱特性實驗研究72-96
• 4.1 引言72-73
• 4.2 相變儲熱可視化實驗73-78
• 4.2.1 實驗系統(tǒng)和裝置73-74
• 4.2.2 石蠟可視化實驗結(jié)果74-76
• 4.2.3 赤藻糖醇可視化實驗結(jié)果76-78
• 4.2.4 小結(jié)78
• 4.3 赤藻糖醇儲熱實驗78-94
• 4.3.1 重復(fù)性實驗78-79
• 4.3.2 儲熱過程傳熱分析79-83
• 4.3.3 儲熱過程進(jìn)口溫度對傳熱的影響83-85
• 4.3.4 儲熱過程質(zhì)量流量對傳熱的影響85-87
• 4.3.5 儲熱過程壓力對傳熱的影響87-89
• 4.3.6 釋熱過程傳熱分析89-92
• 4.3.7 釋熱過程質(zhì)量流量對傳熱的影響92-94
• 4.4 本章小結(jié)94-96
• 第5章 串聯(lián)式多相變儲熱數(shù)值模擬96-126
• 5.1 引言96
• 5.2 實驗驗證96-102
• 5.3 串聯(lián)式多PCM儲熱單元模型102-103
• 5.4 串聯(lián)式3PCM單元儲熱結(jié)果103-113
• 5.4.1 不同時刻云圖對比分析104-106
• 5.4.2 傳熱過程分析106-109
• 5.4.3 進(jìn)口溫度和流量對儲熱的影響109-111
• 5.4.4 進(jìn)口溫度和流量對儲(火用)的影響111-113
• 5.5 串聯(lián)式3PCM單元釋熱結(jié)果113-122
• 5.5.1 不同時刻云圖對比分析114-116
• 5.5.2 傳熱過程分析116-118
• 5.5.3 進(jìn)口溫度和流量對釋熱的影響118-120
• 5.5.4 進(jìn)口溫度和流量對釋(火用)的影響120-122
• 5.6 熱效率和(火用)效率分析122-124
• 5.7 本章小結(jié)124-126
• 第6章 結(jié)論和展望126-128
• 6.1 主要結(jié)論126-127
• 6.2 本文創(chuàng)新點127
• 6.3 研究展望127-128
• 主要符號說明128-130
• 參考文獻(xiàn)130-146
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文及獲獎情況146-148
• 致謝148-149
• 作者簡介149

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